Рекомбинантная ДНК и рестриктазы

К 1972 году Анни Чанг, Поль Берг и Сеймур Коэн установили, что при помощи рестрикционных ферментов, рестриктаз, можно порезать две любые молекулы ДНК и сделать из них одну реком-бинантную ДНК. Именно это открытие легло в основу новой технологии, революционным образом преобразившей современную генетику и молекулярную биологию. Метод основан на стремлении комплементарных одинарных цепей нуклеиновых кислот соединиться между собой. Так, в растворе нуклеиновых кислот цепь с последовательностью GCTAT соединится с цепью CGATA. Особое внимание следует уделить тому, как рестриктазы режут ДНК. Вспомним, что большинство рестриктаз разрезают симметричные палиндромные фрагменты и часто оставляют короткие одинарные комплементарные концы цепей длиной в два—четыре основания. Например, фермент Sail режет ДНК следующим образом:

Все молекулы ДНК, порезанные этой рестрикта-зой, будут иметь одинарные фрагменты с одинаковой последовательностью. Эти концы могут соединяться посредством водородной связи, даже если они очень короткие. Поэтому если порезать две ДНК разных организмов одним ферментом и затем перемешать их, то можно получить много рекомбинантных молекул, составленных из ДНК обоих видов.

На практике эксперимент, как правило, сосредоточен на ДНК отдельного организма-донора, например мыши или человека. Эту ДНК изолируют и проводят над ней различные операции. Выделить ДНК из организма донора просто: достаточно разрушить клетки и при помощи этанола выделить осадок ДНК. Затем донорскую ДНК обрабатывают рестриктазой, чтобы она поделилась на мелкие фрагменты и эти мелкие фрагменты вставляют в маленькие реплицирующие молекулы ДНК, служащие вектором (лат. vector — несущий); векторные молекулы переносят интересующую ученых ДНК, с которой можно экспериментировать. Векторы могут реплицироваться, то есть увеличивать количество донорских фрагментов и предоставлять много копий для анализа. Наиболее часто использующиеся векторы — плазмиды, с которыми мы познакомились в гл. 10, то есть маленькие кольцевые ДНК, встречающиеся в бактериях и часто переносящие гены устойчивости к антибиотикам. Плазмиды не являются частью основного генома бактерий, поскольку встречаются штаммы, как с плазмидами, так и без них. Благодаря малому размеру и кольцевой структуре плаз-мидных ДНК их легко отделить от геномной ДНК бактерий. В качестве векторов также часто используют маленькие вирусные ДНК.

Порезав донорскую ДНК на фрагменты при помощи рестриктазы, той же рестриктазой режут векторную молекулу, имеющую один участок, соответствующий рестриктазе. Затем раствор двух ДНК смешивают и получают некоторое количество рекомбинантных молекул ДНК — это и есть векторы со встроенным донорским фрагментом:

Такие вставки нестабильны, но если добавить фермент ДНК-лигазу, то он соединит каркас молекул ДНК и сделает связь прочной. В полученном растворе имеется большое количество векторных молекул с различными донорскими вставками. Следующим шагом необходимо внедрить эти рекомбинантные молекулы в живые клетки, где они могли бы реплицироваться. Если в качестве векторов используют плазмиды, то раствор рекомбинантной ДНК просто добавляют в культуру бактерий без плазмид, обычно Е. coli. При надлежащей обработке клетки впитывают рекомбинантные векторы через стенки и мембраны. Обычно в одну клетку проникает только одна молекула. После посева в чашки клетки растут и делятся, увеличивая количество плазмид и вставок в них. Каждая из получившихся колоний бактерий является клоном ДНК, то есть популяцией идентичных бактериальных клеток, в которой размножается фрагмент донорской ДНК.

Ученые ведут учет этим колониям и сохраняют их. Вместе они образуют геномную библиотеку (банк). Если выведено и собрано достаточное количество колоний, то существует вероятность, что каждая отдельная часть донорского генома представлена в библиотеке хотя бы один раз. Так можно составить библиотеку геномной ДНК мыши, фрагменты которой представлены в виде вставок в плазмидные векторы внутри клеток бактерий.

Следующий шаг во многом зависит от цели эксперимента. С некоторыми возможностями мы познакомимся ниже.